利用电容-数字转换器检测液位

作者：Jiayuan Wang

简介

输液和输血等程序要求监控液体的确切数量，因此这些应用需要采用精确、易于实施的方法来实现液位的检测。本文描述24位电容-数字转换器和液位检测技术，可通过测量电容对液位进行高性能检测。

电容测量基础知识

电容是物体存储电荷的能力。电容C定义如下：



其中，Q是电容上的电荷，V是电容上的电压。

在图1所示电容中，两个面积为A的平行金属板间距为d。电容C为：



其中

    C是电容，单位为F
    A是两块板的重叠面积，A = a × b
    d是两块板之间的距离
    εR是相对介电常数
    εO是自由空间的介电常(εO ≈ 8.854 × 10−12 F m−1)


图1. 两块平行板的电容

电容数字转换器(CDC)

单通道AD7745和双通道AD7746均为高分辨率Σ-Δ型电容-数字转换器，可测量直接连接输入端的电容。这些器件具有高分辨率（21位有效分辨率和24位无失码）、高线性度(±0.01%)和高精度（出厂校准至±4 fF），非常适合检测液位、位置、压力和其他物理参数。

这些器件具有完整的功能，电容输入端集成多路复用器、激励源、用于电容DAC,温度传感器、基准电压源、时钟发生器、控制和校准逻辑、I2C兼容型串行接口以及高精度转换器内核，该内核集成二阶Σ-Δ型电荷平衡调制器和三阶数字滤波器。转换器用作电容输入的CDC和电压输入的ADC。

所测电容Cx连接在激励源和Σ-Δ型调制器输入端之间。转换期间在Cx上施加方波激励信号。调制器会不间断地对流过Cx的电荷进行采样，并将其转换为0和1的流。调制器输出1的密度经数字滤波器处理，确定电容值。滤波器输出通过校准系数缩放调节。然后，外部主机便可通过串行接口读取最终值。

图2中的四个配置显示了单端、差分、接地和浮动式传感器应用中CDC如何检测电容。


图2. 单端、差分、接地和浮动传感器应用中的配置

电容式液位检测技术

一种简单的液位监控技术是将平行板电容器浸入液体中，如图3所示。随着液位变化，板之间的电介质材料数量发生改变，导致电容也随之改变。同时第二对电容传感器（图中为C2）用作基准。


图3. 电容式液位检测

由于εR（水） >> εR（空气），传感器电容可由浸没部分的电容近似表示。因此，液位为C1/C2：



其中

    Level 是浸入液体的长度
    Ref是基准传感器的长度

电容式液位检测系统硬件
24位AD7746具有两条电容测量通道，非常适合液位检测应用。图4显示了系统功能框图。传感器和基准电容信号转换为数字信号，数据通过I2C端口传输至主机PC或微控制器。


图4. 电容式液位检测系统

要实现精确测量，PCB设计很关键。图5显示了传感器板和CDC连接。为了保证精度，AD7746安装在4层PCB表面尽可能靠近传感器的地方。接地层暴露在PCB背面。该应用使用了转换器全部的两个输入通道。传感器板如图6所示。


图5. 传感器板和CDC连接


图6. PCB正面和反面照片

传感器板设计为在一块PCB上的两个共面金属板，而非两个平行板。共面极板在4层PCB内无需直接接触液体。共面极板电容的电介质由PCB材料、空气和液体组成，轨道每一单位长度的电容值约为：



其中

    d是两个平行轨道中点之间的距离
    l是轨道长度
    w是每一条轨道的宽度（假定宽度相等）
    t是轨道的厚度
    有效εR由d与h的比值决定（h是PCB板的厚度）
    若d/h >> 1; 则εR(eff) ≈ 1
    若d/h ≈ 1; 则εR(eff) = (1 + εR)/2

就该等式而言，测得的电容值与浸入液体的长度成比例，而共面传感器每一单位轨道长度的电容近似值不变。使用LabVIEW®软件执行系统校准有助于实现更高的精度。

LabVIEW软件

PC上运行的LabVIEW程序通过I2C串行接口获取CDC数据。图7是PC监视器上显示的图形用户界面(GUI)。启动液面演示系统后，会实时显示液面数据、环境温度和电源电压。


图7. PC监视器上显示的系统GUI

液面推导公式为：



LabVIEW程序包括基本校准和高级校准，可实现更精确的测量。在浸入液体时进行干（基本）校准用来确定体中。 C1DRY和C2DRY。湿(高级)校准则用来确定一阶方程中增益和失调两个未知量，通过在液位0英寸和4英寸先后进行校准测量可以得到两个方程联立推导出增益和失调。湿校准和测量过程中，基准电容必须完全浸入液体中。

结论

本文介绍了电容式液位检测演示系统。